蒸汽動(dòng)力循環(huán)

蒸汽動(dòng)力循環(huán)第1頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分類（按工質(zhì)）：熱機(jī)定義：將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備蒸汽動(dòng)力動(dòng)力循環(huán)燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)（內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等）（蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)等）動(dòng)力循環(huán)：熱機(jī)的工作循環(huán).第2頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8-1朗肯循環(huán)第3頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月蒸汽動(dòng)力裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖汽輪機(jī)冷凝器發(fā)電機(jī)水泵鍋爐8.1.1蒸汽機(jī)概述第4頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月蒸汽電廠示意圖第5頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月蒸汽機(jī)簡(jiǎn)易圖鍋爐飛輪滑動(dòng)閥活塞汽缸蒸汽第6頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五十年代蒸汽機(jī)車第7頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

汽輪機(jī)示意圖汽輪機(jī)

給水泵

冷凝器

蒸汽

冷水

第8頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月汽輪機(jī)低壓缸第9頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月汽輪機(jī)中壓缸第10頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月汽輪機(jī)高壓缸第11頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月蒸汽是歷史上最早廣泛使用的工質(zhì)，19世紀(jì)后期蒸汽動(dòng)力裝置的大量使用，促使生產(chǎn)力飛速發(fā)展，促使資本主義誕生目前世界75%電力，國(guó)內(nèi)78%電力來(lái)自火電廠，絕大部分來(lái)自蒸汽動(dòng)力蒸汽動(dòng)力裝置可利用各種燃料蒸汽是無(wú)污染、價(jià)廉、易得的工質(zhì)第12頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.1.2工質(zhì)為水蒸氣的卡諾循環(huán)sT12643P1W0nmOP2578在相同范圍內(nèi)卡諾循環(huán)的熱效率最高氣體工質(zhì)的定溫加熱與放熱難于進(jìn)行，且功不大(比較p-v圖上定溫線與定熵線斜率)水蒸氣汽化與凝結(jié)時(shí)既定壓又定溫，功大(斜率)實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置不采用卡諾循環(huán)8-5難于實(shí)現(xiàn)；V8>>V5需用比水泵大得多的壓縮機(jī)；循環(huán)局限于飽和區(qū)，熱效率不高；膨脹末期濕空氣，不利于動(dòng)力機(jī)安全；實(shí)際蒸汽動(dòng)力循環(huán)均以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)第13頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.1.3朗肯循環(huán)及其熱效率1523鍋爐過(guò)熱器汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)冷凝器給水泵冷卻水1、朗肯循環(huán)工作原理朗肯循環(huán)可理想化為兩個(gè)定壓過(guò)程、兩個(gè)定熵過(guò)程。第14頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月W015432vp3’-4-5-1：水定壓加熱變?yōu)檫^(guò)熱水蒸氣1-2：過(guò)熱水蒸氣在汽輪機(jī)內(nèi)定熵膨脹2-3：濕蒸汽在冷凝器內(nèi)定壓冷卻3-3’：凝結(jié)水在水泵中的定熵壓縮sT12543P1W0670P21523鍋爐過(guò)熱器汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)冷凝器給水泵冷卻水3’4第15頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月水的壓縮性很小，經(jīng)過(guò)水泵絕熱壓縮后溫度升高極小，認(rèn)為點(diǎn)3’與點(diǎn)3重合，3’-4與下界限3-4重合。T-s圖sT12543P1W0670P2sT12543P1W0670P2第16頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月q1wspwstq215432shh-s圖

第17頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第18頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、朗肯循環(huán)的熱效率

1-2為定熵膨脹過(guò)程，以汽輪機(jī)為控制體3-4為定熵壓縮過(guò)程，以水泵為控制體4-1定壓過(guò)程，鍋爐和過(guò)熱器為控制體消耗軸功吸收熱量sT12543P1W0670P22-3定壓凝結(jié)過(guò)程，冷凝器為控制體第19頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月sT12543P1W0670P2整個(gè)裝置為熱力系統(tǒng)：很小第20頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.1.4蒸汽參數(shù)對(duì)熱效率的影響初溫T1對(duì)熱效率的影響同p1，p2；T1↑，η↑同效率的卡諾循環(huán)的平均吸熱溫度↑等效卡諾循環(huán)熱效率：有利：乏汽干度不利：比容設(shè)備，設(shè)備體積材料要求高.12354Ts第21頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.初壓p1對(duì)熱效率的影響sT12354有利：乏汽比容，設(shè)備體積;不利：乏汽濕度，腐蝕汽輪機(jī)最后幾級(jí)葉片；不利汽輪機(jī)的安全運(yùn)行.同T1，p2；p1↑，平均吸熱溫度↑，η↑第22頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（T2>環(huán)境溫度）3.背壓p2對(duì)熱效率的影響sT12354環(huán)境溫度對(duì)蒸汽動(dòng)力裝置的運(yùn)行影響很大，冬季η高于夏季，北方高于南方。

局限于朗肯循環(huán)內(nèi)以調(diào)整蒸汽參數(shù)來(lái)提高動(dòng)力循環(huán)的熱效率，潛力有限；在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上發(fā)展的較為復(fù)雜的循環(huán)，如回?zé)嵫h(huán)、再熱循環(huán)等p2↓,

T2↓,

循環(huán)溫差↑,η↑第23頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.1.5有摩阻的實(shí)際循環(huán)實(shí)際蒸汽動(dòng)力循環(huán)都是不可逆過(guò)程，如果考慮到汽輪機(jī)中的不可逆損失，則理想循環(huán)中的可逆絕熱過(guò)程l-2將代之以不可逆絕熱過(guò)程1-2’。這樣，在循環(huán)中q1(4-5-1)不變，而q2(3-2→3-2’)增大。如圖所示，q2的增大部分為面積822’78。第24頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月汽輪機(jī)效率(汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率)ηT：汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽實(shí)際做功wt’與理論功wt

的比值實(shí)際循環(huán)內(nèi)部功wnet’:1kg蒸汽在實(shí)際工作循環(huán)中作出的循環(huán)凈功wnet’=wt’-wP’。忽略水泵功wP’，wnet’≈wt’=h1-h2’。循環(huán)內(nèi)部熱效率ηi:實(shí)際蒸汽循環(huán)凈功與循環(huán)中熱源所供給的熱量的比值：第25頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月考慮軸承等處的機(jī)械損失ηm，則汽輪機(jī)輸出的有效功（即軸功ws）：忽略水泵功，循環(huán)輸出凈功率的表達(dá)式：理想耗汽率ωo

以實(shí)際內(nèi)部功率Pi為基準(zhǔn)有效功耗汽率ωs：第26頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8-2再熱循環(huán)Reheat

Cycle第27頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第28頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月再熱目的：克服汽輪機(jī)尾部蒸汽濕度太大的危害：熱效率腐蝕153過(guò)熱器冷凝器給水泵再熱器6再熱循環(huán)是提高熱效率的途徑之一(3%左右)第29頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1再熱器6多出一塊1c4,365Tsb2目前，超高壓大型發(fā)電廠幾乎毫無(wú)例外地采用再熱循環(huán)。根據(jù)蒸汽初參數(shù)的情況，一般進(jìn)行一次或最多兩次再熱。第30頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

8-3回?zé)嵫h(huán)Extractingcycle第31頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第32頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月抽汽回?zé)嵫h(huán)工作循環(huán)圖23鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)冷凝器水泵1冷卻水1水泵2水泵3一號(hào)回?zé)崞鞫?hào)回?zé)崞鬟^(guò)熱器8679

在回?zé)崞鲀?nèi)先后與兩次抽汽混合加熱，每次加熱終了的水溫達(dá)到相應(yīng)的抽汽壓力下的飽和溫度利用膨脹作了功的蒸汽預(yù)熱鍋爐給水，以提高熱效率抽汽回?zé)嵫h(huán)目的第33頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工作循環(huán)圖23鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)水泵11水泵2水泵3一號(hào)回?zé)崞鞫?hào)回?zé)崞鬟^(guò)熱器867912354Ts6879T-s圖第34頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月回?zé)岢槠师?、α2的計(jì)算，根據(jù)凝結(jié)水被加熱到抽汽壓力下的飽和溫度的原則，由質(zhì)量守恒和能量平衡式來(lái)確定。以二號(hào)回?zé)崞鳛榭刂企wh6、h8

是第一、第二次抽汽的焓；h7、h9

是第一、第二次抽汽壓力下的飽和水的焓；h3是乏汽壓力下的凝結(jié)水的焓以一號(hào)回?zé)崞鳛榭刂企w23鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)水泵11水泵2水泵3一號(hào)回?zé)崞鞫?hào)回?zé)崞鬟^(guò)熱器8679第35頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二級(jí)回?zé)嵫h(huán)的熱效率：理論上抽汽級(jí)數(shù)越多，最佳水溫越好，平均吸熱溫度越高，熱效率也越高；

級(jí)數(shù)越多，設(shè)備和管道越復(fù)雜，而每級(jí)的抽氣量越少；因此，級(jí)數(shù)不宜過(guò)多，電廠為3~8級(jí)。12354Ts6879第36頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題8.1在朗肯循環(huán)中，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的初壓力p1=13.5MPa，初溫度T1=823K，乏汽壓力p2=0.004MPa，求：①循環(huán)凈功wnet、加熱量q1、朗肯循環(huán)熱效率ηt、汽耗率ω及汽輪機(jī)出口干度x2；②試從的角度分析能量利用情況。[解]①1-2為蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)可逆絕熱膨脹過(guò)程；2-3為乏汽在冷凝器內(nèi)可逆定壓放熱過(guò)程；3-4為水在給水泵內(nèi)可逆絕熱壓縮過(guò)程。由已知條件查水及水蒸氣熱力性質(zhì)圖或表，得到各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)。點(diǎn)1：p1=13.5MPa，T1=823K得：h1=3464.5kJ/kg，s1=6.585kJ/(kg?K)第37頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月點(diǎn)2：s2=s1=6.585kJ/(kg?K)，p2=0.004MPa，根據(jù)x2=(s2-s2/)/(s2//-s2/)可得：x2=0.765，h2=x2s2//+(1-x2)s2/=1982.4kJ/kg，T2=301.95K點(diǎn)3：h3=h2/=121.41kJ/kg，s3=s2/=0.4224kJ/(kg?K)點(diǎn)4：s4=s3=0.4224kJ/(kg?K)，p4=13.5MPa，h4=134.93kJ/kg汽輪機(jī)做功wT：

wT=h1-h2=3464.5-1982.4=1482.1kJ/kg水泵消耗的功wp：

Wp=h4-h3=134.93-121.41=13.52kJ/kg第38頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月循環(huán)凈功wnet：

wnet=wT-wp=1482.1-13.52=1468.58kJ/kg工質(zhì)吸熱量q1：

q1=h1-h4=3464.5-134.93=3329.57kJ/kg朗肯循環(huán)熱效率ηt：

ηt=wnet/q1=1468.58/3329.57=44.1%汽耗率ω：

ω=1/wnet=1/(1468.58×1000)=6.81×10-7kg/J汽輪機(jī)出口干度x2：x2=0.765第39頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②朗肯循環(huán)熱效率ηt=44.1%說(shuō)明蒸汽機(jī)吸入的熱量q1中，只有44.1%轉(zhuǎn)變成了功，55.9%都放給了大氣環(huán)境T0=293K，十分可惜。但是，由于實(shí)際上排氣溫度已較低(T2=301.95K)，排出的熱量為：由數(shù)值看，雖然排出的熱量較多，但其有效能值較小，說(shuō)明排汽的熱能品質(zhì)較低，因而動(dòng)力利用的價(jià)值不大。第40頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題8.2

在圖8.11所示的兩級(jí)抽汽回?zé)嵫h(huán)中（其T-s圖如圖8.12所示），第一級(jí)回?zé)峒訜崞鳛榛旌鲜剑诙?jí)為表面式。表面式回?zé)峒訜崞鞯氖杷骰乩淠?。若已知該回?zé)嵫h(huán)的參數(shù)為p1=13.5MPa，T1=808K，p2=0.004MPa，給水回?zé)釡囟葹?23K，抽汽點(diǎn)蒸汽的壓力按等溫差分配選定。試完成：①加熱器級(jí)間的溫差分配；②各級(jí)抽汽參數(shù)p01、p02、h01、h02；③抽汽系數(shù)α1、α2；④循環(huán)功；⑤循環(huán)熱效率和汽耗率；⑥與同參數(shù)朗肯循環(huán)相比較。第41頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月[解]①兩級(jí)抽汽回?zé)嵫h(huán)的T-s圖如圖所示。由p2=0.004MPa查水蒸氣圖表得T2/=302K，故從冷凝器的凝結(jié)水溫度升至給水溫度間的總溫差ΔT=T7-T3=423-302=121K。加熱級(jí)數(shù)為2，故平均每級(jí)溫差應(yīng)為：ΔT/2=60.5K，由此可算出：T9=T3+ΔT/2=302+60.5=362.5K第42頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

②各級(jí)抽汽參數(shù)各級(jí)抽汽壓力是根據(jù)所供加熱器出口水溫要求而確定的。在混合式加熱器中，抽汽壓力p01必須是溫度T6對(duì)應(yīng)下的飽和壓力，可由飽和蒸汽表上查出p01=p6=0.476MPa。在表面式加熱器中，抽汽壓力p02應(yīng)至少相應(yīng)于溫度T8時(shí)的飽和壓力（本例中忽略冷熱流體間的傳熱溫差，即認(rèn)為凝結(jié)水可以被加熱至抽汽壓力下的飽和溫度T8=T9）。于是由T9=362.5K查出p02=0.069MPa。抽汽壓力確定之后，即可由水蒸氣在h-s圖上各定壓線與定熵線的交點(diǎn)查出各抽汽點(diǎn)的焓：h1=3306kJ/kg，h2=2090kJ/kg，h3=121kJ/kg

第43頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月h01=h6=2804kJ/kg，h7=633kJ/kgh02=h8=2488kJ/kg，h9=375kJ/kg③抽汽系數(shù)的計(jì)算取混合式加熱器為熱力系，由能量平衡可得：

α1=(h7-h9)/(h6-h9)=(633-375)/(2804-375)=0.106取表面式加熱器為熱力系，并進(jìn)行能量和質(zhì)量平衡計(jì)算：α2h8+(1-α1-α2)h3=(1-α1)h9即α2=[(1-α1)(h9-h3)]/(h8-h3)=[(1-0.106)(375-121)]/(2488-121)=0.0959④循環(huán)功量計(jì)算

wnet≈wT=h1-α1h01-α2h02-(1-α1-α2)h2=3306-0.106×2804-0.0959×2488-(1-0.106-0.0959)×2090=1102.1kJ/kg第44頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑤循環(huán)熱效率和汽耗率循環(huán)吸熱量q1：q1=h1-h7=3306-633=2673kJ/kg循環(huán)熱效率ηt：ηt=wnet/q1=1102.1/2673=0.4123循環(huán)汽耗率ω：ω=